碳氢燃料超燃冲压发动机支板凹腔一体化稳焰性能研究

为了提高超燃冲压发动机中支板/凹腔组合构型燃烧效率,通过数值仿真对采用支板/凹腔四种组合构型的燃烧室流场进行了研究,重点分析了不同组合构型对煤油燃烧性能以及凹腔质量交换特性的影响。结果表明:带后缘支板不仅能够提高主流与凹腔的质量交换律,并且能够扩大支板后部低速回流区及燃烧区域面积,从而使煤油燃烧效率提高2.8%~5.8%;采用双凹腔构型与采用单凹腔构型相比虽然不能提高单个凹腔与主流的质量交换律,但是增大了燃烧室低速回流区及燃烧区域面积,从而使煤油燃烧效率提高了4.5%~8.8%;在相同来流工况下,不同支板/凹腔组合构型燃烧室的总压恢复系数相近,随着来流马赫数增大总压恢复系数随之下降。      

凹腔火焰稳定器回流区稳焰机理

借助凹腔火焰稳定器模型的数值计算结果研究了高总焓超声速流条件下凹腔火焰稳定器回流区中可能存在的稳焰机制。研究表明,高总焓来流条件下凹腔火焰稳定器回流区中至少存在着三种稳焰机制：回流区燃烧机制、回流区点燃机制和回流区整流机制。三种稳焰机制分别利用了高焓来流条件下回流区的三种不同特性：回流区燃烧机制利用了回流区的混合特性;回流区点燃机制利用了回流区的高温特性;回流区整流机制利用了回流区的阻流特性。计算结果表明,三种稳焰机制都有可能成为凹腔火焰稳定器回流区中起主导作用的稳焰机制。     

正十二烷和甲基环己烷在超燃燃烧室中的点火和稳焰特性研究

主要研究了液态单组份碳氢燃料在超燃燃烧室中的点火和稳焰性能,所用燃料为正十二烷和甲基环己烷,研究结果可以为超燃冲压发动机的燃料制备提供部分依据。试验在以蓄热式加热器为核心的直连式试验台上进行,超燃燃烧室进口总温在1040~1100K范围内,进口马赫数2.03,进口空气流量2.0kg/s左右,点火器为燃气发生器,采用串联凹腔作为火焰稳定装置,在第一个凹腔前常温燃料垂直喷射到燃烧室中。研究结果表明:与正十二烷相比,甲基环己烷在来流总温较低的超声速流中更容易被点燃和实现稳火,但总体来讲,当燃烧室进口总温低于1100K时,常温液态燃料的点火和稳焰性能较差。理论分析了两种燃料的蒸发特性,计算结果表明在来流参数相同时,甲基环己烷的蒸发特性优于正十二烷。利用一维分析方法结合试验测量的壁面静压、燃烧室入口马赫数和空气流量,得到了正十二烷和甲基环己烷不同工况时的总温分布和出口燃烧效率。     

超声速状态下正癸烷和RP3的稳焰特性研究

通过直连蓄热式试验台,研究了正癸烷和RP3航空煤油两种碳氢燃料在超燃燃烧室中的稳焰特性。燃烧室采用双凹腔构型作为稳焰结构,进口总温1000~1150K,进口马赫数2.03,分别采用纯液态喷嘴和气泡雾化喷嘴进行燃料喷射。研究结果表明:在所有试验的总温范围内,正癸烷的稳焰性能比RP3略强,另外,两种燃料在纯液态喷射条件下不易实现稳焰,使用气泡雾化喷嘴能有效提高燃料的稳焰性能。文章建立了一个简单的理论模型,以"驻留时间≥反应延迟时间"作为实现稳焰的判据,计算出各试验工况下的驻留时间与反应延迟时间,发现二者均在1ms量级,计算结果与试验结果吻合较好。最后,根据两种燃料的热物性参数,计算了相同工况下二者的液滴平均直径SMD和蒸发常数,发现SMD在10μm量级,正癸烷的雾化和蒸发特性均略优于RP3,因此从燃料热物性角度说明了正癸烷的超燃稳焰性能略优于RP3的原因。     

三维超声速燃烧室凹腔构型的优化设计及参数分析

凹腔构型对超声速燃烧室的燃烧效率、阻力特性、火焰稳定等性能都有重要的影响,且凹腔构型各参数变化产生的影响存在复杂的耦合作用。因此,针对横向喷射燃料的三维超声速燃烧室凹腔构型进行了基于代理模型的优化设计及参数分析研究。首先对凹腔的长度、深度和后壁倾角进行正交试验设计,数值仿真用以对凹腔燃烧室进行流场与性能分析,建立燃烧室燃烧效率和总压恢复系数与设计变量间的代理模型,根据基于替代模型的复杂系统优化策略,采用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对凹腔构型进行二次优化设计,得到Pareto前沿面。结果分析表明,优化凹腔构型可分为窄深型、浅长型和中深中长型,分别对应Pareto前沿面的急变段、平缓段和巨变段;凹腔燃烧室的燃烧效率与凹腔长度呈负相关,与凹腔深度呈正相关,总压恢复系数反之;后壁倾角对总压恢复系数和燃烧效率影响均较小。平缓区的燃烧室压力幅度变化小且总压恢复系数高,其长深比在2.67~8,在不需要极高的燃烧效率情况下,可以优先选择平缓区凹腔构型。     

凹腔前缘角对超声速燃烧室性能的影响

针对带有不同前缘角的凹腔内流动和燃烧过程,分别在冷态和燃烧条件下探讨了前缘角对凹腔内流动损失及阻力特性的影响.研究表明:在壁面垂直喷射的喷口上游和凹腔内部均会形成低速、高温回流区,有利于点火及火焰稳定,燃烧反压通过边界层的亚声速区域上传,形成激波/边界层干扰结构.减小前缘角,可使剪切层分离位置提前,更偏向凹腔内部,导致凹腔后壁面再附激波增强,进而增大了总压损失,降低了总压恢复系数;亦可导致凹腔前、后壁面压差阻力增大,阻力系数上升.进一步认识了凹腔内部流场及稳焰增混机理,进而为优化凹腔结构设计提供依据.      

自点火氢燃料超燃火焰形成与传播过程数值模拟及分析

针对氢燃料超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧细节,采用数值方法研究了喷注初期不同喷注位置及当量比下超燃燃烧室氢燃料自点火火焰形成与传播过程,结合OH、HO2自由基与温度分布分析了点火燃烧过程的火焰精细流场结构。结果表明：凹腔下游喷孔距凹腔后缘较近时,若喷注压力超过2 MPa,会发生下游火焰通过回流区卷入凹腔的现象;凹腔内喷注会在凹腔剪切层前沿形成稳定反应面,造成反应区分离;喷注压力相同时,上游布置喷孔燃烧室出口氧耗率更高,总压恢复系数降低,而在喷注位置相同时,随喷注压力的升高,燃烧室出口氧耗率提高,总压恢复系数降低;喷注当量比不同会影响火焰的稳定位置与结构,在当量比较低时氢气燃烧主要发生在凹腔、剪切层及燃烧室下游,在当量比较高时则发生在燃烧室下游。     

喷注方案对凹腔稳焰燃烧室低频振荡的影响研究

为了研究在入口来流马赫数2.52,总温1486K的超声速来流条件下,稳焰凹腔上游不同位置乙烯横向喷注对模型发动机燃烧室内低频燃烧振荡特性的影响,通过1kg/s直连式超燃试验平台,利用高频压力传感器、高速摄影相机等设备,对凹腔上游近距离、远距离喷注等方案的发动机内部压力与火焰动态特性进行了研究。试验结果表明:在当前当量比条件下,当稳焰凹腔上游近距离喷注燃料时,燃烧室存在较大范围亚声速区域,并出现由热声不稳定性激励的低频压力振荡,频率分布范围较宽(50～400Hz)且振幅较弱。对于燃料喷注位置到稳焰凹腔距离较远的情况,燃烧室内出现以火焰逆传和火焰吹脱为特征的周期性火焰振荡现象。分析认为较远喷注距离有利于燃料-空气充分混合并形成预混区,导致火焰快速逆传。火焰逆传与DDT (爆燃转爆震)中的火焰加速传播过程有关。周期性火焰逆传与火焰吹脱过程相耦合形成了具有特定主频(约85Hz)且振幅较大的低频压力振荡。     

凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型冷态流场试验

利用粒子图像测速仪(PIV)对凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型进行冷态流场测量,获得该加力燃烧室流场的变化规律和压力损失的变化情况.试验结果表明:随着偏转角(5°~17°)的增大,支板稳定器的整流效果变差,得到的流场的均匀性变差;随着进口马赫数(0.18~0.30)的增加,凹腔内旋涡结构变得完整,从凹腔出来的气流沿径向支板稳定器的穿透能力增加.气流在支板稳定器后形成了低速区回流区,随着进口马赫的增加,回流区的宽度有所增加;加力燃烧室的总压损失随进口马赫数的增加而增大,较常规V型稳定器的总压损失大.      

氢燃料双模态冲压发动机火焰结构及其稳定机制的LES研究

为深入理解双模态冲压发动机内流场结构和燃烧特性，本文采用精细的有限速率化学反应模型，对凹腔内氢气直喷式超声速燃烧室火焰进行了大涡模拟研究。发动机隔离段入口马赫数为2.0，滞止温度和压力分别为950 K和0.82 MPa。定性和定量的验证分析表明，计算结果良好符合试验所反映的物理规律，再现了两种典型的工作模态及其稳焰模式。当量比为0.1时，发动机处于超燃模态，为凹腔剪切层稳焰模式；当量比为0.3时，发动机处于亚燃模态，为凹腔辅助射流尾迹稳焰模式，分离涡的大尺度脉动及凹腔回流区的缺失致使火焰剧烈振荡。同时采用改进的火焰因子和过滤函数详细分析了局部火焰特征和流动模式，观察到了不同规律的局部熄火现象，并且剧烈的流动振荡对于局部火焰结构的稳定性有着不利影响。